2016 Fiscal Year Annual Research Report
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16J10176
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤井 祥 東京大学, 大学院総合文化研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 葉緑体発達 / 膜脂質合成 / クロロフィル合成 / シロイヌナズナ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高等植物の葉緑体は光合成を行う重要な細胞内小器官であり，種子の発芽後，未分化な色素体から分化することで形成される。葉緑体の形成には，脂質，タンパク質，色素などの合成が協調的に行われる必要があるが，これらの合成を調節しているしくみに関しては未解明の点が多く残されている。本研究では，膜脂質合成が協調的な葉緑体形成を開始する鍵となるという仮説のもと，植物中で脂質合成を人工的に制御するしくみを構築し，脂質が葉緑体形成に与える影響を解析している。
被子植物が暗所で芽生えた場合，子葉細胞中の色素体は葉緑体の前駆体であるエチオプラストに分化しており，子葉が光を受けてから急速に葉緑体へと分化する。エチオプラストと葉緑体の膜脂質組成は似通っており，その50%程度をモノガラクトシルジアシルグリセロール（MGDG）という糖脂質が占めている。MGDGは葉緑体の形成や機能に必須であることが分かっているが，エチオプラストにおける役割はほとんど知られていない。そこで，昨年度はエチオプラスト形成におけるMGDGの機能を重点的に調べた。MGDGのほとんどはMGDG合成酵素MGD1によって合成されるため，MGD1遺伝子の発現を薬剤依存的に抑制できるシロイヌナズナの形質転換体amiR-MGD1を用いて解析を行った。
その結果，MGD1によって合成されたMGDGが，エチオプラストの膜構造の形成だけでなく，エチオプラストの膜上に蓄積されるクロロフィルの中間体，プロトクロロフィリドの合成や蓄積に必要であることが分かった。これはエチオプラストにおける膜脂質の機能を初めて明確に示した報告であると同時に，膜脂質と色素合成との間に密接な関連があることを指摘した点でも新規性の高いものである。葉緑体の発達時においても，脂質と色素の関係性が重要な役割を担うと予想されるため，今後はその過程に着目して研究を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
暗所で芽生えた被子植物の子葉にみられる色素体のエチオプラストは，膜脂質に富む細胞内小器官であり，その発達における膜脂質の重要性はかねてより指摘されていた。しかし，これまでの変異体を用いた解析からは，エチオプラストの形成における膜脂質の機能や役割は明確になっていなかった。本研究では，エチオプラストにおける主要な膜脂質，モノガラクトシルジアシルグリセロール（MGDG）の機能を解析した。MGDG合成の大半を担うタンパク質であるMGD1の発現を薬剤依存的に抑制できるシロイヌナズナの形質転換体amiR-MGD1を用いることで，MGDG合成量を適度に抑制した状態でエチオプラストを形成させることができた。MGDG合成を抑制すると，エチオプラストの膜構造が不規則になることが確認された。また，色素分析の結果，クロロフィル合成の中間体であるプロトクロロフィリド（Pchlide）の合成や蓄積，光照射後の急速なクロロフィル合成に関わるPchlide-タンパク質複合体の形成にも，MGDGが必要であることが明らかとなった。色素合成の抑制は，少なくとも遺伝子の発現レベルでの制御によるものではないことが分かっており，Pchlideの合成や蓄積に関わるタンパク質群の機能にMGDGの豊富な膜環境が必要であるためではないかと考えている。以上の成果は昨年度中に論文としてまとめ，2017年2月にPlant Physiology誌に投稿した。現在改訂作業中であり，近日中に受理される見込みである。
さらに，エチオプラストが葉緑体に分化する過程についても解析を進め，MGDGがクロロフィル合成や光合成関連遺伝子の発現誘導に大きく寄与することを見出している。また，光合成遺伝子の発現調節に関わる変異体にamiR-MGD1を導入した形質転換植物も作成し，初期評価を行っている。
以上の状況から，研究はおおむね順調であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，暗所芽生えが光をうけて，エチオプラストが葉緑体に分化する過程に焦点を当てて研究を行う。これまでの解析から，この過程においても，エチオプラストでのプロトクロロフィリド合成の場合と同様に，MGDGがクロロフィル合成に必要であることが分かっている。また，MGDG合成が阻害されている場合，クロロフィル合成に関わる遺伝子の発現が光照射によっていったんは上昇するものの，その後急速に抑制されることが明らかとなっている。光合成反応に関わる遺伝子の発現も同様に抑制される。このことは，MGDG合成が抑制されている状態では，色素体の発達を能動的に止める制御が働くことを示唆しており，膜脂質合成が葉緑体形成の鍵となるという本研究の仮説を支持するものである。
協調的な葉緑体発達のメカニズムを解明する上では，MGDGの存在を検知する分子機構や，その情報を伝達するしくみを知ることが重要となる。具体的な方法としては，MGDG合成を抑制するタイミングによってMGDGの合成量を変化させた場合の葉緑体形成の過程を観察する。また，MGDG合成とは関係なく葉緑体発達が抑制される変異体を用いて，緑化過程における色素合成や遺伝子発現，葉緑体の形態などの変化を調べ，それをamiR-MGD1の場合と比較することで，MGDGの存在を検知・伝達する分子の候補を絞り込んでいく。一例として，葉緑体やエチオプラストの膜中でMGDGに次いで豊富なジガラクトシルジアシルグリセロール（DGDG）を欠く変異体に関しての解析を行っており，色素合成や色素‐タンパク質複合体の機能に関して，amiR-MGD1の場合とは異なった影響がみられることが明らかになりつつある。また，MGDGの合成を抑制するだけではなく，薬剤依存的にMGDG合成を活性化するしくみを構築する試みも行っており，そのような系を用いた解析も必要に応じて行う予定である。
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Research Products
(6 results)
